DE3886297T2 - Verfahren zur Herstellung von hochreinem Sauerstoffgas aus Luft. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von hochreinem Sauerstoffgas aus Luft.

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines hochreinen Sauerstoffgases aus Luft als ein Ausgangsmaterial mit Hilfe des Druckwechsel- Adsorptionsverfahrens (nachfolgend mit PSA bezeichnet).
  • Gegenwärtig sind hochreine Sauerstoffgase, wie solche mit hohen Reinheiten von 99,5 % oder mehr, industriell sehr als Schweißgas oder für die medizinische Verwendung wie Sauerstoffinhalation gefragt. Für diese Zwecke werden ausschließlich Sauerstoffgase mit hoher Reinheit von 99,5 % oder mehr verwendet, erhalten aus cryogenen Anlagen der Luftverflüssigung.
  • Das Verfahren zur Erzeugung eines hochreinen Sauerstoffgases aus Luft unter Verwendung einer cryogenen Anlage ist eine Technik, die im industriellen Maßstab konventionellerweise durchgeführt wird, und verschiedene Verbesserungen davon wurden ebenso durchgeführt. Jedoch wird dessen ökonomische Effizienz nur durch die Produktion in großem Umfang von mehreren 10 t pro Tag oder mehr verwirklicht, was nur durch den Verbrauch in einem großen Umfang bewältigt werden kann. Demgemäß wird, wenn eine kleine Menge an Sauerstoff verwendet wird, das oben genannte hochreine Sauerstoffgas, erhalten aus einer cryogenen Anlage, in der Form einer Flüssigkeit transportiert, indem ein Tanklastwagen verwendet wird, oder wird in Gaszylinder gepackt, um es getrennt zuzuführen, obwohl die Kosten davon sehr hoch werden.
  • Auf der anderen Seite wurden Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff durch PSA ebenfalls entwickelt.
  • Beispielsweise offenbart US-A-4 190 424 ein Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoff durch PSA unter Verwendung eines Kohlenstoff-Molekularsiebadsorptionsbereiches und eines Zeolith-Molekularsiebadsorptionsbereiches. Jedoch wird bei diesem Verfahren ein Gas, das von dem Kohlenstoff- Molekularsiebadsorptionsbereich während einer mittleren Stufe der Desorption desorbiert wird, als ein Ausgangsmaterialgas des Zeolith- Molekularsiebadsorptionsbereiches verwendet. Somit ist die Wiedergewinnung von Sauerstoff begrenzt, da eine große Menge an Sauerstoff während einer Anfangsstufe der Desorption erzeugt wird. Weiterhin wird kein Druckausgleich zwischen einem Adsorber, worin die Adsorption vollendet wurde und einem Adsorber, worin die Desorption vollendet wurde, in dem gleichen Bereich bei diesem Verfahren bewirkt, und daher ist es schwierig, ein Gas mit einem hohen Sauerstoffgehalt aus dem Kohlenstoff- Molekularsiebadsorptionsbereich zu Beginn des Desorptionsvorganges zu gewinnen. Weiterhin wird kein Spülen des Zeolith-Molekularsiebadsorptionsbereiches von seinem Ausgang bei diesem Verfahren bewirkt, was die Trennwirksamkeit von N&sub2; und O&sub2; verbessert. Auf der anderen Seite wird eine Vorbehandlung zur Entfernung von Wasser und Kohlendioxid bei diesem Verfahren vorzugsweise angewandt, und daher werden die Kosten für den Vorgang und die Ausrüstung hoch.
  • Das japanische Patent Kokai JP-A-60-200 805, entsprechend US-A-4 566 881, offenbart ein Verfahren, gekennzeichnet durch Durchführen der Regenerierung einer ersten Adsorptionseinheit und einer zweiten Adsorptionseinheit alternierend mit der gleichen Vakuumpumpe. Dadurch wird in der zweiten Adsorptionseinheit die Betriebszeit verschwendet und die Regenerationszeit ist unzureichend. Somit wird die Betriebszeit in einem Zyklus, der für die zweite Adsorptionseinheit erforderlich ist, doppelt so hoch wie die der ersten Adsorptionseinheit. Daher wird die Größe der zweiten Adsorptionseinheit doppelt so groß im Vergleich zu der, die für die gleiche Betriebszeit in einem Zyklus erforderlich ist, was zu höheren Kosten der Ausrüstung führt. Weiterhin wird ein Verlust der Druckenergie größer, da das gesamte Verfahrenssystem sich aus einem Druckadsorptionsschritt (mehrere bar) durch einen Kompressor und einem Vakuumregenerierungsschritt durch eine Vakuumpumpe zusammensetzt, und die Druckwiedergewinnung wird nach der Druckadsorption nicht bewirkt. Nach Beispiel 1 davon wird beispielsweise der Adsorptionsdruck der ersten Adsorptionseinheit auf 7 kg/cm²G (8 bar) durch den Kompressor erhöht, und daher werden gleichzeitig etwa 79 % N&sub2;, das in Luft vorhanden ist, ebenfalls komprimiert, was das Verfahren im Hinblick auf die Energieersparnis verschwenderisch macht. Weiterhin wird eine Trocknungseinheit für die Vorbehandlung zur Entfernung von Wasser, das in der Luft enthalten ist, in dem System vorgesehen. Daher erhöhen sich nicht nur die Kosten der Anlage und Ausrüstung, sondern die Betriebsschritte werden ebenfalls sehr kompliziert.
  • Diese Zeitverschwendung und der größere Energieverbrauch machen die Vorteile von PSA zur Erzeugung eines hochreinen Sauerstoffgases mit geringen Kosten zunichte.
  • Unter diesen Umständen haben diese Erfinder intensiv ein Verfahren zur Erzeugung eines Sauerstoffgases mit einer höheren Reinheit mit einem niedrigeren Energieverbrauch und einer höheren Sauerstoffausbeute untersucht. Als ein Ergebnis wurde festgestellt, daß ein hochreines Sauerstoffgas mit niedrigerem Energieverbrauch und niedrigeren Konstruktionskosten erhalten werden kann, was bis jetzt nicht gelungen ist, indem eine erste Adsorptionseinheit, gepackt mit Kohlenstoff-Molekularsieb, und eine zweite Adsorptionseinheit, gepackt mit Zeolith- Molekularsieb in Serie verbunden, ein PSA-Vorgang getrennt in jeder Einheit während der gleichen Betriebszykluszeit durchgeführt, das Desorptionsgas, das durch den früheren Teil des gesamten Desorptionsgases von der ersten Einheit in einem Empfänger erhalten wird, gesammelt und dann das resultierende Desorptionsgas in die zweite Einheit als ein Ausgangsmaterialgas und ebenso in die erste Einheit als ein Spülgas eingeführt wird. Insbesondere wurde festgestellt, daß dann, wenn die Menge der Adsorbenzien und der Adsorptions- und Desorptionsdruck auf optimale Werte gesetzt werden, es im Hinblick auf die Effizienz am meisten bevorzugt ist, die Vorgänge der ersten und der zweiten Adsorptionseinheit während der gleichen Betriebszykluszeit durchzuführen.
  • D.h. diese Erfindung schlägt wünschenswerterweise ein Verfahren zur Erzeugung eines hochreinen Sauerstoffgases durch PSA mit einem niedrigerem Energieverbrauch, einer höheren Sauerstoffausbeute und niedrigeren Konstruktionskosten vor.
  • In den beigefügten Zeichnungen zeigt:
  • Fig. 1 ein Flußdiagramm, das ein bevorzugtes Beispiel einer Anlage erläutert, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird;
  • Fig. 2 ein Flußdiagramm, das ein anderes bevorzugtes Beispiel einer Anlage erläutert, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, worin zwei Vakuumpumpen vorgesehen sind;
  • Fig. 3a bis 3e Flußdiagramme, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutern, worin die in Fig. 1 gezeigte Anlage verwendet wird;
  • Fig. 4a bis 4e Flußdiagramme, die ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutern, worin die in Fig. 2 gezeigte Anlage verwendet wird.
  • Beim Entwerfen der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele haben die Erfinder folgendes berücksichtigt:
  • (1) Um ein hochreines Sauerstoffgas mit einem niedrigerem Energieverbrauch zu erhalten, könnte ein Druckausgleichsschritt in jedem der PSA Vorgänge der ersten und zweiten Einheit vorgesehen werden, und jede Einheit könnte während der gleichen Betriebszykluszeit durch eine Vakuumpumpe desorbiert werden. In diesem Fall können zwei Vakuumpumpen unabhängig für die erste und die zweite Einheit vorgesehen sein.
  • (2) Um einen hohen Sauerstoffgehalt zu erhalten, könnte ein Empfänger an dem Auslaß der Vakuumpumpe vorgesehen sein, und nur ein Gas, das durch die Anfangsstufe von der ersten Einheit desorbiert worden ist und einen hohen Sauerstoffgas aufweist, würde für die Verwendung als ein Ausgangsmaterialgas der zweiten Einheit gesammelt. Weiterhin könnte die erste Einheit mit dem gleichen Gas in paralleler Richtung zu dem Luftfluß gespült werden.
  • (3) Sowohl das Kohlenstoff-Molekularsieb als auch das Zeolith-Molekularsieb werden im Hinblick auf ihre Eigenschaften abgebaut, wenn ein Ausgangsmaterialgas Wasser enthält. Daher sollte ein Entwässerungsmittel, aktiviertes Aluminiumoxid, vorzugsweise an dem Gaseinlaß in jedem der Adsorber gepackt sein, und das während des Adsorptionsvorganges daran adsorbierte Wasser sollte kondensiert und durch Kühlen während des Desorptionsvorganges mit Hilfe eines Trockners vom Kühltyp entfernt werden, der an dem Auslaß der Vakuumpumpe der ersten Einheit vorgesehen ist.
  • (4) Sowohl das Kohlenstoff-Molekularsieb als auch das Zeolith-Molekularsieb adsorbieren Kohlendioxid stark und einiges von dem Kohlendioxid wird dem desorbierten Gas aufgrund der Desorption zugemischt. Jedoch kann Kohlendioxid nicht durch den oben genannten Trockner vom Kühltyp entfernt werden, und daher wird das Kohlendioxid innerhalb des Systems angesammelt, wenn der PSA-Vorgang für eine lange Zeitdauer fortgesetzt wird. Dann könnte es partiell von dem Auslaß der Vakuumpumpe der ersten oder der zweiten Einheit aus dem System periodisch gereinigt werden.
  • Somit wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erzeugung eines hochreinen Sauerstoffes aus Luft angegeben, indem Luft einer Adsorptionsanlage zugeführt und hochreines Sauerstoff-Produktgas gesammelt wird, wobei das Verfahren das Verbinden einer ersten Adsorptionseinheit der Anlage mit einem Paar von Adsorbern, die jeweils mit Kohlenstoff- Molekularsieb gepackt sind, und einer zweiten Adsorptionseinheit der Anlage mit einem Paar von Adsorbern, die jeweils mit Zeolith-Molekularsieb gepackt sind, in Serie, das getrennte Durchführen der Druckwechsel- Adsorption (PSA) in jeder Einheit während des gleichen Betriebszyklus und das Sammeln eines Teils des Gases von der ersten Adsorptionseinheit in einem Empfänger zur Verwendung als ein Ausgangsmaterialgas für die zweite Einheit umfaßt; dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Gases, das in dem Empfänger gesammelt wird, in die erste Einheit als ein Spülgas erneut eingeführt wird; und daß das Gas, das von einem ersten Adsorber der ersten Adsorptionseinheit desorbiert ist, in dem Empfänger gesammelt wird, wenn es einen Sauerstoffgehalt von 70 % oder mehr aufweist; daß dann, wenn es einen Sauerstoffgehalt von etwa 70 % oder weniger aufweist, ein erster Teil direkt in den zweiten Adsorber der ersten Einheit als ein Spülgas geführt wird und daß ein letzter Teil anschließend mit Gas von dem Empfänger vermischt wird, zur Bildung einer Mischung, die dem zweiten Adsorber der ersten Einheit als ein Spülgas zugeführt wird.
  • Wahlweise kann das erfindungsgemäße Verfahren effektiver in Kombination mit einem oder mehreren der folgenden Vorgänge durchgeführt werden.
  • Ein Dehydratisierungsmittel wird in dem Gaseinlaß eines jeden Adsorbers der ersten und der zweiten Einheit zur Adsorption von Wasser gepackt und Wasser wird davon unter vermindertem Druck durch eine Vakuumpumpe desorbiert und durch Kühlen mit einem Trockner vom Kühltyp kondensiert, der an dem Auslaß der Vakuumpumpe vorgesehen ist, zur Entfernung von Wasser.
  • Die erste Adsorptionseinheit, die mit Kohlenstoff- Molekularsieb gepackt ist, setzt sich aus zwei Adsorbern zusammen, und der Druckausgleich wird durch Verbinden des Adsorbers, worin die Adsorption vollendet wurde, mit dem Adsorber, worin die Desorption an dem Auslaß davon vollendet wurde, bewirkt, die zweite Adsorptionseinheit, die mit Zeolith-Molekularsieb gepackt ist, setzt sich aus zwei Adsorbern zusammen, und der Druckausgleich wird durch Verbinden des Auslasses des Adsorbers, worin die Adsorption vollendet worden ist, mit dem Einlaß des anderen Adsorbers, worin die Desorption vollendet worden ist, bewirkt, und gleichzeitig wird ein Teil des Sauerstoffproduktgases zu der obengenannten zweiten Adsorbereinheit zurückgeführt, worin die Desorption vollendet wurde.
  • Kohlendioxid, das in dem System angesammelt ist, wird periodisch in die Atmosphäre durch den Auslaß der verwendeten Vakuumpumpe herausgelassen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt schlägt diese Erfindung eine Anlage zum Durchführen des Verfahrens zur Erzeugung eines hochreinen Sauerstoffes aus Luft durch Druckwechseladsorption vor, wobei die Anlage eine erste Adsorptionseinheit mit einem Paar von Adsorbern, die jeweils mit Kohlenstoff-Molekularsieb gepackt sind, und eine zweite Adsorptionseinheit mit einem Paar von Adsorbern, die jeweils mit Zeolith-Molekularsieb gepackt sind, wobei die erste und die zweite Einheit in Serie verbunden sind, und einen einzelnen Empfänger umfaßt, der mit der ersten Einheit zum Ansammeln von von der ersten Einheit desorbiertem Gas verbindbar ist und mit der ersten und der zweiten Einheit zum Freilassen von Gas in jede dieser Einheiten verbindbar ist; und wobei der erste und der zweite Adsorber der ersten Einheit ohne Zwischenschaltung eines Empfängers so verbindbar sind, daß das Desorptionsgas von einem der Adsorber in den anderen strömen kann und als ein Spülgas dienen kann.
  • Nachfolgend werden die bevorzugten Ausführungsbeispiele dieser Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
  • In den Figuren 3a bis 3e und 4a bis 4e werden die Betriebsvorgänge entsprechend den gezeigten kräftigen Linien durchgeführt. Die Figuren 3 und 4 zeigen die Schritte, die in einem halben Zyklus eines Betriebszyklus auftreten. In den Figuren 1 und 2 und in der Beschreibung, die sich anschließt, bedeuten die Buchstaben "A" und "B" solche Elemente der Anlage, die in dem ersten Halbzyklus involviert sind. In dem zweiten Halbzyklus sind die entsprechenden Elemente, die mit "B" bzw. "A" bezeichnet sind, involviert.
  • Die für einen Zyklus erforderliche Zeit ist nicht auf solche Zeiten beschränkt, die in den Zeichnungen gezeigt sind. Jedoch ist eine Zykluszeit in dem Bereich von 50 s x 2/Zyklus bis 120 s x 2/Zyklus bevorzugt.
  • Jeder Betriebsschritt wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 3a bis 3e erläutert.
    • Schritt-1
  • Luft, deren Druck bis zu mehreren 100 mm Wassersäule durch einen Luftverdichter 14 in einer ersten Adsorptionseinheit erhöht wurde, wird in einen Adsorber 15A gegeben, der mit aktiviertem Aluminiumoxid an dem Gaseinlaß davon und Kohlenstoff-Molekularsieb darüber gepackt ist, durch ein Schaltventil (nachfolgend "V-" bezeichnet) 1A gepackt ist. Auf der anderen Seite wird Sauerstoff, das an einem Adsorber 15B adsorbiert ist, bei irgendeinem Druck zwischen etwa 6,7 x 10³ und 2,7 x 10&sup4; Nm&supmin;² (50 bis 200 torr) während der Verminderung des Druckes durch eine Vakuumpumpe 19 desorbiert und dann wird der desorbierte Sauerstoff in einen Empfänger 16 gesammelt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Gas mit einem Höchstgehalt an Sauerstoff (etwa 70 % oder mehr) erhalten werden.
  • In einer zweiten Adsorptionseinheit wird ein hochsauerstoffhaltiges Gas, das in dem Adsorber 17B verblieben ist, von dem Auslaß des Adsorbers 17B, worin die Adsorption vollendet wurde, zu dem Einlaß eines Adsorbers 17A, worin die Desorption durch V-12A durch Druckausgleich vollendet wurde, wiedergewonnen, wobei jeder Adsorber mit aktiviertem Aluminiumoxid an dem Gaseinlaß davon und mit Zeolith-Molekularsieb an dem unteren Teil davon gepackt ist. Gleichzeitig kann ein Sauerstoffproduktgas von einem Produktbehälter 18 zu dem Adsorber 17A durch V-10A zurückfließen.
    • Schritt-2
  • In der ersten Adsorptionseinheit wurde Sauerstoff vorzugsweise von Luft adsorbiert, die in den Adsorber 15A eingefügt ist, und das restliche Gas ist mit Argongas und Stickstoffgas angereichert und wird in die Atmosphäre durch V-2A freigelassen.
  • Auf der anderen Seite desorbiert der Adsorber 15B kontinuierlich 70 % oder mehr sauerstoffhaltiges Gas bei einem Druck von 6,7 x 10³ bis 2,7 x 10&sup4; Nm&supmin;² (50 bis 200 torr).
  • In der zweiten Adsorptionseinheit wird ein Sauerstoffgas mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 70 % in den Adsorber 17A von dem Empfänger 16 durch V-8A eingefügt, und gleichzeitig fließt das sauerstoffproduktgas mit einer hohen Reinheit von dem Produktbehälter 18 zu dem Adsorber 17A zur Druckerhöhung zurück. Auf der anderen Seite wird der Adsorber 17B desorbiert und durch V-9B durch eine Vakuumpumpe 19 regeneriert. Das Desorptionsgas wird mit dem Gas, das von dem Adsorber 15B der ersten Einheit durch V-3B desorbiert ist, vermischt und das darin enthaltene Wasser wird durch Kondensation mit einem Trockner 20 vom Kühltyp entfernt. Dadurch wird im wesentlichen alles Wasser, das in der Luft, die als das Ausgangsmaterialgas verwendet wird, in einer Menge von etwa 0,5 bis 5 Vol.% enthalten ist, entfernt.
    • Schritt-3
  • Um den Gehalt an Sauerstoff anzureichern, der in der ersten Adsorptionseinheit adsorbiert ist, wird ein Gas mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 70 % oder weniger, das der Rest des Desorptionsgases von dem Adsorber 15B durch V-3B ist, in den Adsorber 15A durch V-4A zum Spülen des Adsorbers eingeführt. Während dieses Schrittes wird in der zweiten Adsorptionseinheit Stickstoff, das in dem Ausgangsmaterialgas enthalten ist, durch den Adsorber 17-A adsorbiert, zur Erzeugung eines Sauerstoffproduktgases mit einer Reinheit von 99,5 % oder mehr, und das Sauerstoffproduktgas wird in dem Produktbehälter 18 angesammelt. Auf der anderen Seite wird die Desorption in dem Adsorber 17B bewirkt.
    • Schritt-4
  • Um den Gehalt an Sauerstoff weiter anzureichern, der in der ersten Adsorptionseinheit adsorbiert ist, wird das Gas mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 70 % oder mehr, das in dem Empfänger 16 angesammelt ist, mit dem oben genannten Desorptionsgas von dem Adsorber 15B vermischt, und das resultierende Gas wird in den Adsorber 15A durch V-4A zum Spülen eingeführt. Während dieses Schrittes werden in der zweiten Adsorptionseinheit die Adsorption und Desorption durchgeführt, während der Adsorber 17B gespült wird, indem ein Teil des Sauerstoffproduktgases mit einem hohen Sauerstoffgehalt von dem Produktbehälter 18 durch V-11B zurückströmt.
    • Schritt-5
  • In der ersten Adsorptionseinheit wird das restliche, mit Sauerstoff angereicherte Gas in dem Adsorber 15A von dem Auslaß des Adsorbers 15A, worin Sauerstoff ausreichend an dem Adsorber 15B adsorbiert wurde, worin die Desorption durch V-5 durch Druckausgleich vollendet worden ist, wiedergewonnen. Es ist möglich, Zustände zu kreieren, unter denen hohe Sauerstoffgehalte leicht erhalten werden können, indem restliches Gas in dem Hohlraum eines Adsorbers, der eine kleine Menge Stickstoffgas enthält, partiell zu einem anderen Adsorber übertragen wird.
  • Auf der anderen Seite werden Stickstoff und Kohlendioxid, die an dem Adsorber 17B in der zweiten Einheit adsorbiert sind, in die Atmosphäre durch ein Reinigungsventil V-13, das an dem Auslaß der Vakuumpumpe 19 vorgesehen ist, freigelassen, indem es mit dem Spülgas ausgetrieben wird, d.h. dem hochreinen Sauerstoffproduktgas von dem Produktbehälter 18.
  • Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Betriebsvorgänge wird unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 4a bis 4e beschrieben.
    • Schritt-1
  • Luft, deren Druck bis zu mehreren 100 mm Wassersäule durch einen Luftverdichter 14 in einer ersten Adsorptionseinheit erhöht ist, wird in einen Adsorber 15A, der mit aktiviertem Aluminiumoxid an dem Gaseinlaß davon und Kohlenstoff- Molekularsieb darüber gepackt ist, durch ein Schaltventil V-1A eingeführt und unter Druck gesetzt. Auf der anderen Seite wird Sauerstoff, das an einem Adsorber 15B adsorbiert ist, bei irgendeinem Druck zwischen 6,7 x 10³ bis 2,7 x 10&sup4; Nm&supmin;² (50 bis 200 torr) desorbiert, wenn der Druck durch eine Vakuumpumpe 19A vermindert wird, und der desorbierte Sauerstoff wird in einem Empfänger 16 angesammelt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Gas mit einem Höchstgehalt an Sauerstoff (etwa 70 % oder mehr) erhalten werden.
  • In einer zweiten Adsorptionseinheit wird ein hochsauerstoffhaltiges Gas, das in dem Adsorber 17B verblieben ist, von dem Auslaß des Adsorbers 17B wiedergewonnen, worin die Adsorption an dem Einlaß des Adsorbers 17A vollendet worden ist, worin die Desorption durch V-12A durch Druckausgleich vollendet worden ist, wobei jeder Adsorber mit aktivierten Aluminiumoxid an dem Gaseinlaß davon und Zeolith-Molekularsieb an dem unteren Teil davon gepackt ist, und gleichzeitig kann ein Sauerstoffproduktgas von einem Produktbehälter 18 zu dem Adsorber 17A durch V-10A zurückfließen.
    • Schritt-2
  • In der ersten Einheit wird Sauerstoff vorzugsweise von Luft, die in den Adsorber 15A eingeführt wird, adsorbiert, und das restliche Gas wird mit Argongas und Stickstoffgas angereichert und in die Atmosphäre durch V-2A freigelassen.
  • Auf der anderen Seite desorbiert der Adsorber 15B kontinuierlich 70 % oder mehr sauerstoffhaltiges Gas bei einem Druck von 6,7 x 10³ bis 2,7 x 10&sup4; Nm&supmin;² (50 bis 200 torr)
  • In der zweiten Einheit wird ein Sauerstoffgas mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 70 % in den Adsorber 17A von dem Empfänger 16 durch V-8A eingeführt und gleichzeitig fließt das Sauerstoffproduktgas mit einem hochreinen Sauerstoffgas zurück zu dem Adsorber 17A von dem Produktbehälter 18, zur Erhöhung des Druckes. Auf der anderen Seite wird der Adsorber 17B desorbiert und durch V-9B durch eine Vakuumpumpe 19B regeneriert, und das Desorptionsgas wird in die Atmosphäre durch ein Ventil 13 freigelassen. In dem Gas enthaltenes Wasser, das desorbiert und von dem Adsorber 15B in der ersten Einheit durch die Vakuumpumpe 19A regeneriert ist, wird durch Kondensation mit einem Trockner 20 vom Kühltyp entfernt. Dadurch wird im wesentlichen alles Wasser, das in Luft als Ausgangsmaterialgas in einer Menge von etwa 0,5 bis 5 Vol.% enthalten ist, entfernt.
    • Schritt-3
  • Um den Sauerstoffgehalt, der in der ersten Adsorptionseinheit adsorbiert ist, anzureichern, wird ein Gas mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 70 % oder weniger, das der Rest Desorptionsgases von dem Adsorber 15B durch V-3B ist, in den Adsorber 15A durch V-4A eingeführt. Dadurch wird der Adsorber gespült. Während dieses Schrittes wird in der zweiten Adsorptionseinheit Stickstoff, das in dem Ausgangsmaterialgas enthalten ist, durch Adsorption entfernt, und das nichtadsorbierte Gas mit einem Sauerstoffgehalt von 99,5 % oder mehr wird in dem Produktbehälter 18 als ein Sauerstoffproduktgas angesammelt. Auf der anderen Seite wird die Desorption in dem Adsorber 17B bewirkt, und das Desorptionsgas wird in die Atmosphäre durch das Ventil 13 freigelassen.
    • Schritt-4
  • Um den Gehalt an Sauerstoff weiter anzureichern, der in der ersten Adsorptionseinheit adsorbiert ist, wird das Gas mit einem Sauerstoffgehalt von etwa 70 % oder mehr, das in dem Empfänger 16 angesammelt ist, in den Adsorber 15A durch V-4A zum Spülen eingeführt. Während dieses Schrittes werden in der zweiten Adsorptionseinheit die Adsorption und Desorption durchgeführt, während der Adsorber 17B gespült wird, indem ein Teil des Sauerstoffproduktgases von dem Produktbehälter 18 durch V-11B zurückfließt.
    • Schritt-5
  • In der ersten Adsorptionseinheit wird das mit Sauerstoff angereicherte restliche Gas in dem Adsorber 15A von dem Auslaß des Adsorbers 15A, worin Sauerstoff ausreichend an dem Adsorber 15B adsorbiert ist, worin die Desorption durch V-5 durch Druckausgleich vollendet worden ist, wiedergewonnen. Es ist möglich, die Zustände zu kreieren, unter denen hohe Sauerstoffgehalte leicht erhalten werden können, indem restliches Gas in den Hohlraum eines Adsorbers, der eine kleine Menge an Stickstoffgas enthält, teilweise einem anderen Adsorber zugeführt wird.
  • Auf der anderen Seite werden Stickstoff und Kohlendioxid, die an dem Adsorber 17B in der zweiten Adsorptionseinheit adsorbiert sind, in die Atmosphäre durch ein Reinigungsventil V-13, das an dem Auslaß der Vakuumpumpe 19B vorgesehen ist, durch Austreiben mit einem Spülgas, d.h. dem Sauerstoffproduktgas von dem Produktbehälter 18, freigelassen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Kohlenstoff- Molekularsieb und Zeolith-Molekularsieb, die verwendet werden sollen, nicht spezifisch beschränkt, und bekannte Molekularsiebe können verwendet werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Sauerstoffgas mit einer Reinheit von 99,5 % oder mehr effizient mit niedrigerem Energieverbrauch durch einfache Adsorptionseinheiten aus Luft erhalten werden. Da das Sauerstoffgas nur durch einen PSA-Vorgang erhalten wird, sind die Kosten der Anlage und Ausrüstung sehr niedrig.
  • Die folgende Beispiele erläutern diese Erfindung detaillierter, sollen aber nicht den Umfang davon beschränken.
    • Beispiel 1
  • In der ersten Adsorptionseinheit, wie in Figur 1 gezeigt, wurde kommerziell erhältliches aktiviertes Aluminiumoxid (60 kg) in den Gaseinlaß eines jeden Adsorbers gepackt, und dann wurde Kohlenstoff-Molekularsieb mit einheitlichen Mikroporendurchmessern im Bereich von 3 bis 4 Å, hergestellt von Bergbau Forschung, Westdeutschland, (420 kg) darüber gepackt. In der zweiten Adsorptionseinheit wurde kommerziell erhältliches aktiviertes Aluminiumoxid (15 kg) in dem Gaseinlaß eines jeden Adsorbers gepackt und Zeolith-Molekularsieb von Calciumtyp mit einem Mikroporendurchmesser von 5 Å (45 kg) wurde an der Bodenseite davon gepackt. Der PSA-Vorgang dieser Erfindung wurde bei 55 s x 3/Zyklus entsprechend den Betriebsschritten, die durch die Figuren 3a bis 3e gezeigt sind, durchgeführt, indem Luft durch die erste und die zweite Einheit durch den Luftverdichter geführt wurde, so daß der Adsorptionsdruck der beiden Einheiten 0,05 kg/cm²G wurde, und indem der schließliche Desorptionsdruck an dem Einlaß der Vakuumpumpe so gesteuert wurde, daß er 1,3 x 10&sup4; Nm&supmin;² (100 torr) erreicht. Die Ergebnisse sind wie folgt:
  • Zusammensetzung des Abfallgases an dem Auslaß der ersten Adsorptionseinheit (alle Prozentangaben beziehen sich auf das Volumen, wenn nichts anderes angegeben ist):
  • O&sub2; 13,0 %, N&sub2; 86,0 %, Ar 1,0 %
  • Zusammensetzung des Gases in dem Empfänger:
  • O&sub2; 73,8 %, N&sub2; 25,5 %, Ar 0,2 %, CO&sub2; 0,5 %
  • Zusammensetzung des Gases, das von Auslaß der Vakuumpumpe in die Atmosphäre freigelassen wird:
  • O&sub2; 49,3 %, N&sub2; 49,7 %, Ar 0,2 %, CO&sub2; 0,8 %
  • Zusammensetzung des Sauerstoffproduktgases:
  • O&sub2; 99,7 %, Ar 0,3 %
  • Rate des Sauerstoffproduktgases
  • 5,0 NM³/H
  • Ausbeute des Sauerstoffproduktgases:
  • 36 %
    • Beispiel 2
  • In der ersten Adsorptionseinheit, wie in Figur 2 gezeigt, wurde kommerziell erhältliches aktiviertes Aluminiumoxid (60 kg) in dem Gaseinlaß eines jeden Adsorbers gepackt, und dann wurde Kohlenstoff-Molekularsieb mit gleichmäßigen Mikroporendurchmessern im Bereich von 3 bis 4 Å, hergestellt durch Bergbau Forschung, Westdeutschland, (420 kg) darüber gepackt. In der zweiten Adsorptionseinheit wurde kommerziell verfügbares aktiviertes Aluminiumoxid (15 kg) in dem Gaseinlaß eines jeden Adsorbers gepackt, und Zeolith-Molekularsieb vom Calciumtyp mit einem Mikroporendurchmesser von 5 Å (45 kg) wurde an der Bodenseite davon gepackt. Der PSA-Vorgang dieser Erfindung wurde bei 55 s x 2/Zyklus entsprechend den Betriebsschritten, die durch die Figuren 4a bis 4e gezeigt sind, bewirkt, indem Luft zu der ersten und der zweiten Einheit durch den Luftverdichter so zugeführt wurde, daß der Adsorptionsdruck von beiden Einheiten 0,05 kg/cm²G wurde, und indem der schließliche Einlaß-Desorptionsdruck einer jeden Vakuumpumpe, die an den jeweiligen Einheiten vorgesehen war, so gesteuert wurde, daß er 1,3 x 10&sup4; Nm&supmin;² (100 torr) erreichte. Die Ergebnisse sind wie folgt:
  • Zusammensetzungen des Abgases an dem Auslaß der ersten Adsorptionseinheit:
  • O&sub2; 12,5 %, N&sub2; 86,3 %, Ar 1,2 %
  • Zusammensetzung des Gases in dem Empfänger:
  • O&sub2; 73,9 %, N&sub2; 25,4 %, Ar 0,2 %, CO&sub2; 0,5 %
  • Zusammensetzung des Gases, das von dem Auslaß der Vakuumpumpe 19 A in die Atmosphäre freigelassen wurde:
  • O&sub2; 49,5 %, N&sub2; 49,5 %, Ar 0,2 %, CO&sub2; 0,8 %
  • Zusammensetzung des Gases, das von dem Ausgang der Vakuumpumpe 19B in die Atmosphäre freigelassen wurde:
  • O&sub2; 53,2 %, N&sub2; 45,9 %, Ar 0,2 %, CO&sub2; 0,7 %
  • Zusammensetzung des Sauerstoffproduktgases:
  • O&sub2; 99,7 %, Ar 0,3 %
  • Rate des Sauerstoffproduktgases:
  • 4,9 NM³/H
  • Ausbeute des Sauerstoffproduktgases:
  • 35 %

Claims (7)

1. Verfahren zur Erzeugung eines hochreinen Sauerstoffes aus Luft durch Zuführen von Luft zu einer Adsorptionsanlage und durch Sammeln eines hochreinen Sauerstoffproduktgases, wobei das Verfahren umfaßt: Verbinden einer ersten Adsorptionseinheit der Anlage mit einem Paar von Adsorbern, jeweils mit Kohlenstoff- Molekularsieb gepackt, und einer zweiten Adsorptionseinheit der Anlage mit einem Paar von Adsorbern, jeweils mit Zeolith-Molekularsieb gepackt, in Serie, getrenntes Durchführen der Druckwechseladsorption (P.S.A) in jeder der Einheiten während des gleichen Betriebszyklus und Sammeln eines Teils des Gases, das von der ersten Adsorptionseinheit desorbiert ist, in einem Empfänger, zur Verwendung als ein Ausgangsmaterial für die zweite Einheit; dadurch gekennzeichnet, daß
ein Teil des Gases, das in dem Empfänger angesammelt ist, in die erste Einheit als ein Spülgas zurückgeführt wird; und daß
das Gas, das von einem ersten Adsorber der ersten Adsorptionseinheit desorbiert ist, in dem Empfänger angesammelt wird, wenn es einen Sauerstoffgehalt von 70 % oder mehr hat; daß dann, wenn es einen Sauerstoffgehalt von etwa 70 % oder weniger hat, ein erster Teil direkt in den zweiten Adsorber der ersten Einheit als ein Spülgas geführt wird und ein letzter Teil mit dem Gas von dem Empfänger zur Bildung einer Mischung vermischt wird, bevor es in den zweiten Adsorber der ersten Einheit als ein Spülgas geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dehydratisierungsmittel weiterhin in dem Gaseinlaß eines jeden Adsorbers der ersten und der zweiten Einheit zur Adsorption von Wasser gepackt ist und daß Wasser davon unter vermindertem Druck durch eine Vakuumpumpe desorbiert und durch Kühlen mit einem Trockner vom Kühltyp kondensiert wird, der an dem Auslaß der Vakuumpumpe vorgesehen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleich der ersten Adsorptionseinheit durch Verbinden des Adsorbers, worin die Adsorption vollendet wurde, mit dem Adsorber, worin die Desorption an dem Auslaß davon vollendet wurde, bewirkt wird, und daß der Druckausgleich der zweiten Adsorptionseinheit durch Verbinden des Auslasses des Adsorbers, worin die Adsorption vollendet worden ist, mit dem Einlaß des Adsorbers, worin die Desorption vollendet worden ist, bewirkt wird, und daß zur gleichen Zeit ein Teil des Sauerstoffproduktgases zu dem oben genannten Adsorber der zweiten Adsorptionseinheit, worin die Desorption vollendet wurde, zurückgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlendioxid, das in dem System gesammelt ist, periodisch in die Atmosphäre freigelassen wird.
5. Anlage zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage eine erste Adsorptionseinheit mit einem Paar von Adsorbern (15A, 15B), jeweils mit Kohlenstoff-Molekularsieb gepackt, und eine zweite Adsorptionseinheit mit einem Paar von Adsorbern (17A, 17B), jeweils mit Zeolith-Molekularsieb gepackt, wobei die erste und die zweite Einheit in Serie verbunden sind, und einen einzelnen Empfänger (16) umfaßt, der mit der ersten Einheit zum Sammeln des von der ersten Einheit desorbierten Gases verbindbar ist und der mit der ersten und der zweiten Einheit zum Freisetzen von Gas in jede dieser Einheiten verbindbar ist; und daß der erste und der zweite Adsorber (15A, 15B) der ersten Einheit ohne Zwischenschaltung eines Empfängers so verbindbar sind, daß ein Desorptionsgas von einem der Adsorber (15A, 15B) in den anderen (15B, 15A) strömen und als ein Spülgas dienen kann.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorber (15A, 15B) der ersten Adsorptionseinheit miteinander verbindbar sind und daß die Adsorber (17A, 17B) der zweiten Adsorptionseinheit miteinander verbindbar sind, zum Bewirken des Druckausgleiches in der ersten und der zweiten Adsorptionseinheit.
7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Adsorber der Adsorptionseinheiten jeweils mit einem Einlaß versehen sind, der ein Dehydratisierungsmittel enthält und daß die Adsorber (15A, 15B, 17 A, 17B) betriebsfähig mit einer Vakuumpumpe (19, 19A) verbunden sind, die einen Trockner (20) vom Kühltyp an ihrem Auslaß aufweist.
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